物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展

黃孝彬，毛培霖，唐浩源，董曉鵬

(1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206;2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039)

物聯(lián)網(wǎng)作為一種全新的信息傳播方式，已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視。人們可以讓盡可能多的物品與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、地點(diǎn)的連接，從而對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控，進(jìn)而形成智能化的解決方案，這就是物聯(lián)網(wǎng)帶給人們的生活方式。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及其外延

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念，于1999年由麻省理工學(xué)院Auto－ID研究中心提出，它是把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化的識(shí)別和管理［1］。受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展，人們?cè)诳紤]將物體連接起來(lái)的技術(shù)時(shí)，除了射頻識(shí)別技術(shù)外，沒(méi)有更多的其他方法，目前看來(lái)，這顯然是不能接受的。2005年，ITU－T發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》，對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)”涵義進(jìn)行了擴(kuò)展，報(bào)告分別從物聯(lián)網(wǎng)的概念、涉及到的技術(shù)、潛在的市場(chǎng)、面臨的挑戰(zhàn)、世界的發(fā)展機(jī)遇和未來(lái)的生活展望6大方面進(jìn)行了闡述，報(bào)告以這樣的形式闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念［2］:信息世界和通訊技術(shù)已經(jīng)有了新的維度:任何人、任何物體，都能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)以多種多樣的形式連接起來(lái)，從而創(chuàng)建出一個(gè)新的動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)——物聯(lián)網(wǎng)。

除了上述兩種物聯(lián)網(wǎng)概念外，現(xiàn)在普遍接受的物聯(lián)網(wǎng)概念是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，運(yùn)用射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)、紅外感應(yīng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描等技術(shù)，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)［3］，其中，全面感知、可靠傳遞、智能處理，是物聯(lián)網(wǎng)的3大特征。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的外延

要理解物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，除了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念有所了解外，還必須清楚傳感網(wǎng)、泛在網(wǎng)、M2M、因特網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)等與物聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)的概念，圖1給出了這幾種概念之間的關(guān)系［4］，其中陰影部分為物聯(lián)網(wǎng)的范疇。

圖1 幾種網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系

泛在網(wǎng)也被稱(chēng)作無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)，包括3個(gè)層次的內(nèi)容:(1)無(wú)所不在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。(2)無(wú)所不在的終端單元。(3)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［5］。其將4A作為主要特征，即可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間(Anytime)、任何地點(diǎn)(Anywhere)，任何人(Anyone)、任何物(Anything)都能方便地通信;傳感網(wǎng)，一般指無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)，是指隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的最大區(qū)別就在于傳感網(wǎng)不強(qiáng)調(diào)對(duì)物體的標(biāo)識(shí)，僅僅感知到信號(hào)，但并不一定明確標(biāo)識(shí)出是眾多被感知物體中的哪一個(gè)［6］;M2M 是指“機(jī)器對(duì)機(jī)器通信(Machine to Machine)”，作為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)最常見(jiàn)、最普遍，也是最具有可行性的方法，M2M的應(yīng)用幾乎涵蓋了各行各業(yè)，其在現(xiàn)階段以及以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，都將是物聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用的主力軍。

從本質(zhì)上講，泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、M2M實(shí)際上表達(dá)的是同一個(gè)思想，即將信息交互從人與人之間擴(kuò)大到人與物、物與物之間，從而實(shí)現(xiàn)通信應(yīng)用范疇的極大擴(kuò)展，以“信息化、智能化”改變?nèi)藗兊纳罘绞健Ｖ詴?huì)產(chǎn)生概念表述的不同，是由于其出發(fā)角度的不同。泛在網(wǎng)主要以人為主體，通過(guò)泛在的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、泛在計(jì)算以及泛在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用滿(mǎn)足人們的各種需求;傳感網(wǎng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)對(duì)于信息的感知，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、融合和路由完成對(duì)于各種具體應(yīng)用的數(shù)據(jù)支持;M2M則主要關(guān)注節(jié)點(diǎn)之間的通信，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的信息交流，使機(jī)器設(shè)備不再是信息孤島，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和資產(chǎn)有效地監(jiān)控與管理。對(duì)于泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、M2M之間的關(guān)系，應(yīng)以辯證的方法認(rèn)識(shí)到，其內(nèi)涵是在不斷變化的。

2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，學(xué)術(shù)界有諸多不同觀(guān)點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］提出物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)應(yīng)包括3個(gè)層次:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。文獻(xiàn)［8］提出物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)應(yīng)包括4個(gè)層次:感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層。表1對(duì)兩者的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比［7－8］。文中較為贊同文獻(xiàn)［9］的提法。其中指出，物聯(lián)網(wǎng)概念模型已經(jīng)無(wú)法采用傳統(tǒng)的分層模型進(jìn)行描述，采用物品、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用三維模型建立了物聯(lián)網(wǎng)的概念模型，構(gòu)成由信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)、智能應(yīng)用為構(gòu)件的物聯(lián)網(wǎng)概念模型。圖2為物聯(lián)網(wǎng)三維概念模型［9］。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為，采用分層模型構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)模型，得出的結(jié)果較為零散且需要進(jìn)一步分類(lèi)，從理論上可以說(shuō)明，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，無(wú)法采用二維分層模型構(gòu)造其邏輯模型。采用物聯(lián)網(wǎng)三維概念模型可以部分解釋物聯(lián)網(wǎng)研究和開(kāi)發(fā)中存在的一些爭(zhēng)議。

表1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)層次對(duì)比

圖2 物聯(lián)網(wǎng)三維概念模型

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈可細(xì)分為標(biāo)識(shí)、感知、信息傳送和數(shù)據(jù)處理這4個(gè)環(huán)節(jié)，其中的核心技術(shù)主要包括射頻識(shí)別技術(shù)，傳感技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和數(shù)據(jù)的挖掘與融合技術(shù)等。

(1)射頻識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)是一種無(wú)接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)及其空間耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)或移動(dòng)待識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別，用于對(duì)采集點(diǎn)的信息進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”標(biāo)識(shí)。鑒于RFID技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的自動(dòng)識(shí)別，全天候、識(shí)別穿透能力強(qiáng)、無(wú)接觸磨損，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)物品的自動(dòng)識(shí)別等諸多特點(diǎn)，將這一技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，使其與互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享，在物聯(lián)網(wǎng)“識(shí)別”信息和近程通訊的層面中，起著至關(guān)重要的作用。另一方面，產(chǎn)品電子代碼(EPC)采用RFID電子標(biāo)簽技術(shù)作為載體，大大推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用［10］。

(2)傳感技術(shù)。信息采集是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，而目前的信息采集主要是通過(guò)傳感器、傳感節(jié)點(diǎn)和電子標(biāo)簽等方式完成的。傳感器作為一種檢測(cè)裝置，作為攝取信息的關(guān)鍵器件，由于其所在的環(huán)境通常比較惡劣，因此物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器技術(shù)提出了較高的要求。一是其感受信息的能力，二是傳感器自身的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，傳感器技術(shù)在這兩方面應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)發(fā)展與突破。

將傳感器應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中可以構(gòu)成無(wú)線(xiàn)自治網(wǎng)絡(luò)，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、納米嵌入技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)等，使各類(lèi)能夠嵌入到任何物體的集成化微型傳感器協(xié)作進(jìn)行待測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集，并將這些信息以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給觀(guān)測(cè)者，從而實(shí)現(xiàn)“泛在”傳感［11］。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)具有端節(jié)點(diǎn)和路由的功能:首先是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，其次是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，綜合本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)的好壞會(huì)直接影響到整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和功能健全。

(3)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)涉及到近程通訊技術(shù)和遠(yuǎn)程運(yùn)輸技術(shù)。近程通訊技術(shù)涉及RFID，藍(lán)牙等，遠(yuǎn)程運(yùn)輸技術(shù)涉及互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)等技術(shù)。

作為為物聯(lián)網(wǎng)提供信息傳遞和服務(wù)支撐的基礎(chǔ)通道，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的專(zhuān)業(yè)性與互聯(lián)功能，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)低移動(dòng)性、低數(shù)據(jù)率的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)信息安全且可靠的傳送，是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)研究的一個(gè)重點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)主要包括廣域網(wǎng)絡(luò)通信和近距離通信等兩個(gè)方面，廣域方面主要包括IP互聯(lián)網(wǎng)、2G/3G移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等技術(shù)，而以iPv6為核心的新聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，更為物聯(lián)網(wǎng)的提供戶(hù)高效的傳送通道;在近距離方面，當(dāng)前的主流則是以IEEE 802.15.4為代表的近距離通信技術(shù)。

M2M技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵［12］。與M2M可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)結(jié)合的遠(yuǎn)距離連接技術(shù)有GSM、GPRS、UMTS等，WIFI、藍(lán)牙、ZigBee、RFID和UWB等近距離連接技術(shù)也可以與之相結(jié)合，此外還有XML和Corba，以及基于GPS、無(wú)線(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)技術(shù)等。M2M可用于安全監(jiān)測(cè)、自動(dòng)售貨機(jī)、貨物跟蹤領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。

(4)數(shù)據(jù)的挖掘與融合。從物聯(lián)網(wǎng)的感知層到應(yīng)用層，各種信息的種類(lèi)和數(shù)量都成倍增加，需要分析的數(shù)據(jù)量也成級(jí)數(shù)增加，同時(shí)還涉及到各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或多個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題［13］，如何從海量的數(shù)據(jù)中及時(shí)挖掘出隱藏信息和有效數(shù)據(jù)的問(wèn)題，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，因此怎樣合理、有效的整合、挖掘和智能處理海量的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)的難題。結(jié)合P2P、云計(jì)算等分布式計(jì)算技術(shù)，成為解決以上難題的一個(gè)途徑。云計(jì)算為物聯(lián)網(wǎng)提供了一種新的高效率計(jì)算模式，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按需提供動(dòng)態(tài)伸縮的廉價(jià)計(jì)算，其具有相對(duì)可靠并且安全的數(shù)據(jù)中心，同時(shí)兼有互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的便利、廉價(jià)和大型機(jī)的能力，可以輕松實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)與應(yīng)用共享，用戶(hù)無(wú)需擔(dān)心信息泄露，黑客入侵等棘手問(wèn)題。云計(jì)算是信息化發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)里程碑，它強(qiáng)調(diào)信息資源的聚集、優(yōu)化和動(dòng)態(tài)分配，節(jié)約信息化成本并大大提高了數(shù)據(jù)中心的效率。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

由于物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的內(nèi)容和涉及到的技術(shù)廣泛，目前國(guó)際參與物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定的組織眾多，尚無(wú)一個(gè)組織制定出完整的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。表2列出了主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定組織及其研究方向。

表2 主要標(biāo)準(zhǔn)制定組織及其研究方向

我國(guó)研究物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)組織主要有傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組(WGSN)和中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)。WGSN是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)籌建，全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)成立并領(lǐng)導(dǎo)，從事傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作的全國(guó)性技術(shù)組織。目前WGSN已經(jīng)建立了若干的標(biāo)準(zhǔn)制定項(xiàng)目組［14］，其中，協(xié)同信息處理支撐服務(wù)及接口在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中推動(dòng)了目前一個(gè)新的工作項(xiàng)目，2010年3月，這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過(guò)了新工作項(xiàng)目的投票，即將啟動(dòng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的制定工作。CCSA于2010年成立了泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會(huì)(TC10)，專(zhuān)門(mén)從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的研究工作，先后啟動(dòng)了《無(wú)線(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)》、《無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與電信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求》等標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定，但尚沒(méi)有發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)文稿。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和體制的不斷成熟和完善，物聯(lián)網(wǎng)將對(duì)改善人們的生活方式帶來(lái)便捷的作用。但物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍處于初級(jí)階段，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中仍然存在一定的問(wèn)題，比如安全、標(biāo)準(zhǔn)、商業(yè)模式等，需要努力攻克核心技術(shù)，盡快制定物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際標(biāo)及一系列相應(yīng)的配套法律規(guī)范，不斷地將其完善。

［1］姚萬(wàn)華.關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的概念及基本內(nèi)涵［J］.中國(guó)信息界，2010(5):22－23.

［2］ITU －T.ITU internet reports 2005:The internet of things［R］.USA:ITU －T，2005.

［3］李航，陳后金.物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景［J］.中國(guó)科技論壇，2011(1):81－85.

［4］朱瑾文，王藝.從電信運(yùn)營(yíng)商角度看物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)和發(fā)展［J］.電信科學(xué)，2010(4):1－5.

［5］曹鵬，陳小健.物聯(lián)網(wǎng)淺談［J］.中國(guó)新通信，2010(9):10－16.

［6］陳如明.泛在/物聯(lián)/傳感網(wǎng)與其他信息通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)系分析思考［J］.移動(dòng)通信，2010(8):47－51.

［7］朱瑾文.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)［J］.中興通訊技術(shù)，2011，17(1):27－31.

［8］孫利民，沈杰，朱紅松.從云計(jì)算到海計(jì)算:論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)［J］.中興通訊技術(shù)，2011，17(1):3 －7.

［9］沈蘇彬.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)［J］.中興通訊技術(shù)，2011，17(1):8－10.

［10］程曼，王讓會(huì).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.地理信息世界，2010(5):22－28.

［11］汪亮.物聯(lián)網(wǎng)主要關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)述［J］.杭州科技，2010(1):15－17.

［12］朱洪波，楊龍祥，于全.物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想與應(yīng)用策略研究［J］.通信學(xué)報(bào)，2010，31(11):2 －9.

［13］張毅，唐紅.物聯(lián)網(wǎng)綜述［J］.數(shù)字通信，2010(4):24 －27.

［14］林偉俊.物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀概述［J］.福建電腦，2010(5):40，48.